СОВЕТСКИЕ РАБОТЫ ПО АВТОМАТИЧЕСКОМУ УПРАВЛЕНИЮ В КОСМОСЕ (1957 - 1967). Б.Н. ПЕТРОВ, Б.В. РАУШЕНБАХ

УДК 629.785.017.2(091)

(Статья подготовлена по материалам доклада, прочитанного на втором симпозиуме ИФАК (Вена, 1967 г.).)

Первые десять лет, прошедшие со дня запуска в космос первого искусственного небесного тела, дня, открывшего новую эру в истории покорения природы человечеством, были отмечены бурным развитием ракетно-космической техники. Невозможно назвать другую отрасль техники, в которой за десять лет был бы достигнут столь же разительный прогресс. Накопленный за многие годы, казалось бы, в мало связанных областях, технический потенциал привел в 1957 г. к тому, что оказалось возможным осуществить одну из самых дерзких идей человечества.

Выдающимся ученым в области ракетной техники и одним из организаторов этих работ был академик С. П. Королев, начавший свои плодотворные исследования почти 50 лет тому назад. Одновременно с Королевым над этой проблемой работали большие группы ученых и конструкторов, без творческого вклада которых был бы невозможен успех всего дела. Напомним, что для создания мощных ракетно-космических комплексов было необходимо решить вопрос, представлявший огромные трудности: необходимо было создать гигантские ультралегкие конструкции ракет, большие жидкостные ракетные двигатели, сложный комплекс наземного оборудования, разработать конструкции спутников и межпланетных аппаратов, способные длительно работать в специфических условиях космоса, решать задачу тепловой защиты космических аппаратов при их входе в атмосферу Земли с космическим скоростями, а для пилотируемых спутников - целую группу проблем медико-биологического характера. Этот список можно было бы значительно расширить, однако ограничимся лишь тем, что кратко рассмотрим тот круг задач, который связан с вопросами автоматического управления.

Здесь можно назвать задачу создания автомата стабилизации ракеты-носителя, причем такого, который не только обеспечивает угловую стабилизацию, выдерживание заданной траектории подъема и выключение в нужный момент ракетного двигателя, но и ограничивает при этом упругие колебания корпуса ракеты и колебания жидких масс в ее баках. Для космических аппаратов эта задача сохраняет свое значение (например, в режиме коррекции траектории полета, при мягкой посадке на Луну), однако наряду с этим возникают и новые проблемы - создание систем ориентации космических аппаратов, способных непрерывно работать многие месяцы подряд, бортовых комплексов аппаратуры, автоматически производящей включения и выключения нужных приборов, систем автоматического поддерживания заданной температуры и т. п.

Найти правильный ответ на все возникшие вопросы могли только крупные коллективы ученых на основе теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ.

Рассматривая итоги первого десятилетия космической эры, остановимся главным образом на вопросах автоматического управления в космическом пространстве.

Рассмотрение этой стороны развития ракетно-космической техники удобней вести, разбив все космические аппараты на несколько групп, объединив в них конструкции приблизительно одинакового назначения. Если следовать такому принципу, то все созданные космические аппараты можно условно разбить на следующие группы: искусственные спутники Земли (в том числе спутники народнохозяйственного значения); автоматические аппараты для исследования Луны и окололунного пространства; межпланетные автоматические станции для полета к орбитам Марса и Венеры и, наконец, пилотируемые космические корабли.

Первый в мире искусственный спутник Земли был выведен на орбиту в Советском Союзе 4 октября 1957 г. Это положило начало систематическому исследованию космического пространства и открыло для человечества перспективу выхода в межпланетное пространство. Вслед за ним было запущено большое число спутников самого различного типа, которые дали богатейший материал для расширения и уточнения наших представлений об околоземном космосе.

Если первый спутник был конструктивно прост и его запуск преследовал главным образом цели отработки ракеты-носителя и получения самых первых данных о космическом пространстве (исследование прохождения радиоволн, определение плотности верхней атмосферы и т. п.), то последующие спутники оснащались все более совершенной аппаратурой, перед ними ставились все более сложные задачи, и это приводило к появлению на них достаточно разнохарактерных и разветвленных систем автоматического управления. В конечном итоге типичной для рассматриваемого отрезка времени стала функциональная схема следующего типа.

Установленный на борту центральный коммутационно-логический прибор осуществляет автоматическое управление всеми основными системами космического аппарата. Он связан с названными системами, в частности с командой радиолиний. По этой линии осуществляется вся связь с наземными пунктами управления, и по ней же передаются на Землю сигналы, свидетельствующие об исполнении поданных команд, и данные о состоянии бортовых систем и о проведенных на борту операциях. Полученные по радио команды центральный прибор преобразовывает должным образом, включает или выключает соответствующие системы и производит необходимые логические операции, согласовывая работу различных систем космического аппарата. К основным системам можно, например, отнести систему управления движением, систему энергопитания, научную аппаратуру, систему терморегулирования и т. д. Описанная здесь совокупность систем дает типичный пример неавтономного управления. В то же время ясно, что с Земли невозможно подать все множество нужных команд, если допустить, что всякое переключение на борту может быть достигнуто только таким способом.

Пусть, например, существует некоторый привод, вращая который в ту или иную сторону, можно менять температурный режим космического аппарата. Совершенно очевидно, что вращение его надо вести не путем подачи команд с Земли, а по сигналам датчика температуры, включив его в соответствующую цепь автоматического регулирования. В этом случае за центральным прибором сохранится лишь функция включения или выключения системы терморегулирования согласно пришедшей по радио команде.

В других случаях для правильного функционирования аппаратуры нужно произвести не одно включение, а целую серию таких включений по жесткой временной программе. Пусть надо произвести торможение спутника перед посадкой и связанное с этим включение ракетного двигателя. Тогда серия необходимых включений могла бы выглядеть следующим образом: подача питания на систему стабилизации, через некоторый интервал времени, необходимый для раскрутки гироскопов, сигнал на их разарретирование, затем серия последовательных включений, связанная с подготовкой ракетного двигателя к запуску, и т. д. Поэтому на борту должен существовать прибор, связанный с центральным, который хранил бы все необходимое множество таких временных программ. Одновременно он может выполнять и функции хранителя бортового времени. Таково значение программно-временного устройства. Иногда его функции расширяются и он может совершать программу всего полета. В этом случае необходимость подачи команд с Земли теоретически исключается и все управление становится автономным. Практически обычно используют как автономное управление, так и управление по командам с Земли, дублируя, где это полезно, одно другим и стремясь к наиболее рациональному распределению задач между ними.

Что касается научной аппаратуры, то ее связь с центральным коммутационно-логическим прибором и другими системами спутника носит несколько иной характер. В конечном итоге основной целью запуска спутника является получение научных данных, поэтому все системы, установленные на борту, могут рассматриваться как устройства, обслуживающие научную аппаратуру.

Этим объясняется, что удельный вес тех или иных бортовых систем целиком определяется кругом научных задач, стоящих перед спутником. В некоторых случаях совокупность бортовых систем автоматического управления спутником отступает на второй план сравнительно с научной аппаратурой. Характерным примером такого космического аппарата являются советские спутники серии «Протон» (1965 г.), которые при весе 12,2 т, по сути, являлись летающим прибором для комплексного изучения прямыми методами космических частиц сверхвысоких энергий. Само собою разумеется, что в этом случае научная аппаратура содержала ряд устройств, работающих на принципах автоматического управления. Первые 10 лет исследований межпланетного пространства дали, как известно, много новых и иногда неожиданных результатов. Появились новые направления в науке, новые точки зрения. Однако удивительным следует признать то, что за этот короткий срок искусственные спутники Земли стали использоваться и для народнохозяйственных нужд. Здесь прежде всего надо назвать использование их для связи и в службе погоды.

Систематически запускаемые с начала 1965 г, в Советском Союзе спутники серии «Молния» позволили связать восточные и западные районы страны двухсторонней многоканальной телефонной, фототелеграфной и телеграфной связью. Помимо этого, осуществлялась передача программ телевидения из Москвы во Владивосток и обратно (6500 км), а также были произведены экспериментальные передачи цветного телевидения между Москвой и Парижем. Во всех этих случаях спутники связи «Молния» работали в режиме автоматически действующего ретранслятора.

Помимо сказанного, на некоторых спутниках этой серии устанавливались телекамеры, позволявшие передавать на Землю картину распределения облачных систем на огромных участках северного полушария Земли, поскольку фиксация этих систем производилась с высот до 40 000 км. Сведения о характере изменения облачных систем со временем являются, как известно, важной метеорологической информацией.

Значительно более полную и ценную для службы погоды информацию давали специальные метеорологические спутники, составляющие в совокупности систему «Метеор». Со спутников этой системы на Землю передавались не только изображения облачного и снежного покрова, но и данные, регистрируемые актинометрической аппаратурой.

В системах управления автоматическими спутниками класса «Молния» и «Метеор» использовалась в основном та же функциональная схема, что и описанная выше. Единственным отличием было, пожалуй, отсутствие (или резкое количественное уменьшение) научной аппаратуры и замена ее ретрансляционной аппаратурой в спутниках связи и метеорологической аппаратурой в спутниках системы «Метеор». Это предъявляло дополнительные требования к системам автоматического управления, установленным на борту спутника. Поясним это примером. Как известно, спутник «Молния» движется по сильно вытянутой эллиптической орбите с апогеем порядка 40 000 км и все время ориентирован осью симметрии в направлении на Солнце (это сохраняется и при непродолжительном заходе спутника в тень Земли). Такая ориентация связана с необходимостью постоянного пополнения запасов электроэнергии за счет солнечных батарей. Легко заметить, что в этом случае угол между направлением на Солнце (а значит, и осью симметрии спутника) и направлением на Землю будет изменяться в соответствии с движением по орбите и остронаправленная параболическая антенна, установленная на борту, должна будет менять свое положение относительно корпуса спутника. Чтобы осуществить наведение антенны на Землю, она была снабжена оптическим устройством, реагирующим на свет Земли, включенным в цепь автоматического управления положением антенны. Так, наряду с системой ориентации всего спутника как целого на его борту появилось устройство, следящее за некоторым внешним ориентиром.

Наряду с исследованием околоземного космического пространства в течение 1957 - 1967 гг. в Советском Союзе велись планомерные работы по изучению ближайших к нам небесных тел - Луны, Венеры и Марса. Созданные для этого автоматические межпланетные станции серий «Луна», «Зонд», «Венера», «Марс» во многом существенно отличались от искусственных спутников Земли, даже если ограничиться рассмотрением одних лишь вопросов автоматического управления. Это отличие касалось главным образом систем управления движением. В то время как искусственные спутники Земли (которые не должны были возвращаться на Землю) могли иногда быть вообще лишены системы управления движением, на космических аппаратах, предназначенных для полетов к ближайшим небесным телам, эти системы становились во многом определяющими успех всего предприятия. Последнее связано с тем, что полет на такие большие расстояния немыслим без коррекции траектории в процессе полета, причем этот корректирующий маневр должен выполняться с большой точностью, что требует ориентации космического аппарата в заранее неизвестном направлении с ошибкой, нередко не превышающей единиц угловых минут. Помимо этого, задачи радиосвязи с космическими аппаратами, удаляющимися от Земли на расстояния десятков и сотен миллионов километров, тоже имеют свою специфику. Все это и некоторые другие особенности рассматриваемых космических аппаратов привели к разработке для них многофункциональных автоматических систем управления движением, способных решать разнохарактерные задачи, возникающие при сменах режимов полета. Для автоматических межпланетных станций типа «Зонд», «Венера», «Марс» были характерны следующие режимы работы:

1. Длительная ориентация рабочих поверхностей солнечных батарей на Солнце.

2. Точная ориентация относительно небесных ориентиров перед коррекцией траектории.

3. Ориентация параболической антенны на Землю для установления высокоинформативной связи.

4. Стабилизация при работе корректирующего ракетного двигателя. Реализация первого из названных режимов производилась путем использования специального оптического датчика ориентации на Солнце, связанного с логической схемой, позволяющей выработать нужные сигналы управления без получения информации об угловой скорости космического аппарата. Режим характеризовался невысокой точностью ориентации (±10⁰), достаточной для нормальной работы солнечных батарей, и чрезвычайно высокой экономичностью.

Режим точной ориентации перед коррекцией потребовал разработки сложного оптико-электронного датчика, способного вырабатывать сигналы отклонения от опорных ориентиров (ими были выбраны Солнце и Канопус) на углы порядка единиц минут. Само собою разумеется, что положение осей визирования на Солнце и Канопус относительно корпуса станции могло быть передано на борт по командной радиолинии лишь после определения фактической траектории полета. В этом режиме точной ориентации использовались как сигналы оптического датчика, так и сигналы гироскопических датчиков угловых скоростей.

По аналогичной схеме осуществлялся и режим ориентации параболической антенны на Землю, с той лишь разницей, что в качестве опорных ориентиров были избраны Солнце и Земля, причем соответствующие углы между линиями визирования и корпусом космического аппарата устанавливались автоматически, без использования командной радиолинии, поскольку траектория полета с нужной для этого точностью известна заранее.

Режим работы системы ориентации задавался соответствующей командой с Земли. Включение режимов связи с использованием параболической антенны или ориентации по Солнцу и Канопусу перед коррекцией траектории связано с поворотами космического аппарата и поэтому могло приводить к временному прекращению ориентации солнечных батарей на Солнце. Если учесть, что сеансы связи могли повторяться довольно часто, то становится понятным, что вопросам надежного перехода от одного режима к другому уделялось большое внимание; в частности, логика работы системы ориентации была построена так, что любой включенный режим заканчивался автоматическим переходом к режиму ориентации солнечных батарей на Солнце.

Режим стабилизации при работе ракетного двигателя мало отличается от тех, которые характерны для ракет-носителей. Здесь использовался комплекс свободных гироскопов, датчиков угловых скоростей и индикаторов боковых составляющих скоростей, создаваемых ракетным двигателем. Выключение ракетного двигателя производилось с помощью сигнала гироскопического интегратора продольных ускорений. Как видно из этой краткой характеристики, система стабилизации в рассматриваемый период носила традиционный характер. В создании таких систем советские инженеры имели многолетний опыт, так как первые гироскопические системы стабилизации ракет создавались и проходили летные испытания в СССР более 40 лет назад.

Вся совокупность системы управления движением дальних космических аппаратов достигла высокой степени совершенства. В этой связи полезно напомнить некоторые данные о полете автоматической межпланетной станции «Венера-3». За время полета был проведен 31 сеанс связи (из них 16 до коррекции траектории), во время которых было произведено свыше 1300 измерений дальности до летящей станции, более 5000 измерений радиальной составляющей скорости полета и около 7000 измерений угловых координат. Все это позволило вести непрерывное и очень точное наблюдение за фактической траекторией полета. Измерения показали, что, как и ожидалось, несмотря на хорошее выведение автоматической станции на траекторию полета к Венере, промах в окрестности планеты назначения получался равным 60 550 км от ее центра, что приблизительно в 5 раз превышает диаметр планеты. Для того чтобы перейти на попадающую траекторию полета, была произведена коррекция движения путем запуска (с нужной ориентацией) ракетного двигателя. Это произошло при удалении станции от Земли на расстояние 12 900 000 км. Проведенные после сеанса коррекции траекторные измерения показали, что необходимая скорость полета была получена с точностью в несколько см/с. После коррекции траектории полета она проходила на расстоянии 450 км от центра планеты. Даже если учесть ошибки определения траектории (менее 600 км) и неточное знание астрономической постоянной Солнечной системы, которая дает для данного полета дополнительную ошибку менее 500 км, среднеквадратичное отклонение от расчетной траектории получилось лучше 800 км. Если же учесть, что при приближении к планете трубка траекторий под действием притяжения планеты как бы стягивается (приблизительно вдвое для этого полета) и что радиус Венеры равен 6100 км, приходим к выводу о 10 - 15-кратном запасе по точности попадания, которым характеризовался этот полет. Этот полет замечателен, помимо всего прочего, тем, что был первой доставкой некоторого груза на планету Солнечной системы.

Систематически исследования Луны с помощью ракет были начаты в Советском Союзе в 1959 г. Здесь уместно остановиться на двух работах, носивших этапный характер.

Запущенная 4 октября 1959 г., ровно через два года после запуска первого искусственного спутника Земли, межпланетная автоматическая станция «Луна-3» была первым космическим аппаратом, снабженным системой ориентации. Такая система необходима, поскольку автоматическая станция предназначалась для фотографирования обратной стороны Луны. Как известно, этот эксперимент был удачно завершен. Примененная на космическом аппарате «Луна-3» система ориентации была сравнительно простой. Она состояла из двух групп оптических датчиков (солнечных и лунного), гироскопических датчиков угловых скоростей, логического блока и системы реактивных двигателей, работавших на сжатом азоте, т. е. содержала все основные элементы систем ориентации. Управление этой системой, как и фотоаппаратурой, телевизионными и другими устройствами осуществлялось как по командной радиолинии, так и от бортовой автоматики, содержавшей программно-временные устройства.

Эта и подобные ей автоматические станции могли дать лишь известную часть научной информации о Луне, в то время как другая часть данных могла быть получена только приборами, совершившими мягкую посадку на поверхность Луны. Поэтому через несколько лет после успешного полета автоматической станции «Луна-3» в Советском Союзе приступили к отработке мягкой посадки космического аппарата на поверхность Луны. Эти работы были успешно завершены 3 февраля 1966 г. спуском на лунный грунт автоматической станции «Луна-9». Космические аппараты этого типа использовали систему управления движением, содержавшую систему ориентации по Солнцу, Земле и Луне, которая позволяла проводить коррекцию траектории, а также систему стабилизации углового положения во время работы корректирующего двигателя. Хотя конструктивно эти системы и отличались от описанных выше, они были во многом похожи на них, поскольку выполняли близкие функции. Принципиально новой в рассматриваемой системе была аппаратура мягкой посадки на поверхность Луны. Здесь оказалось необходимым производить измерения расстояния до лунной поверхности в процессе полета, включением посадочного двигателя гасить скорость сближения с Луной, поддерживая все время необходимое положение космического аппарата относительно местной лунной вертикали, и т. п. Успешное решение этой новой совокупности задач надо признать крупнейшим инженерным достижением.

Если окинуть взглядом путь, пройденный за первые 10 лет космической эры, то трудно переоценить достигнутое за столь короткий срок. Специфика освоения космического пространства человеком требовала создания на первых порах автоматически действующих космических аппаратов. Описанные выше летающие автоматы впитали в себя многие достижения современной техники автоматического управления, дав блестящие образцы инженерных решений в этой плодотворно развивающейся области. Однако главной целью всех этих поистине космических усилий было не столько получение новых научных данных, сколько прокладка того пути, по которому должен был двинуться человек. Здесь развитие техники шло путем, обратным обычному. До сих пор даже в такой молодой области, как авиация, все новое испытывал и осваивал человек, и лишь позже и постепенно в эти освоенные человеком области приходило автоматическое управление. В области космической техники автоматическое управление прокладывало и прокладывает пути, по которым должен двинуться человек.

Человечество дерзнуло впервые выйти в космическое пространство 12 апреля 1961 г., когда на космическом корабле «Восток-1» совершил свой полет Юрий Гагарин. По всем своим основным параметрам этот корабль следует отнести к автоматически управляемым. Хотя на борту и были установлены системы ручного управления, они использовались в минимальной степени. Что касается автоматических систем, то они были выполнены по максимально простым и надежным схемам. В последующих полетах на кораблях «Восток» и «Восход» доля участия экипажа в управлении кораблем постепенно увеличивалась и одновременно усложнялись функции, которые доверялись космонавтам. В 1964 г. исследования в космосе начали вести ученые (К. П. Феоктистов, Б. Б. Егоров), космонавт А. А. Леонов, совершив в марте 1965 г. выход из корабля в открытый космос, показал, что человек способен работать в космосе в самых тяжелых условиях.

Привлечение космонавтов к активному управлению космическими кораблями вновь подчеркнуло важность изучения взаимодействия человека и машины. Многое в этом совпадало с проблемами, уже возникшими и изучавшимися в авиации, но появились и свои, свойственные только космонавтике. Здесь не идет речи о влиянии невесомости и других аналогичных факторов на работоспособность человека, которые исследуются космической биологией. Даже если отвлечься от этих факторов, можно указать на ряд особенностей, которые резко отличают технику ручного управления космическим кораблем от аналогичных задач управления самолетом.

Можно, например, указать на то, что летчик, управляя самолетом, производит необходимые эволюции путем соответствующих поворотов самолета около его центра масс относительно трех осей. При этом, как известно, изменяется не только угловое положение самолета относительно неподвижных ориентиров, но происходит и изменение траектории полета, поскольку уравнения движения самолета как материальной точки содержат члены, зависящие от его углового положения относительно вектора скорости и неподвижной системы координат. Короче говоря, летчик изменяет траекторию полета, меняя угловые координаты самолета. Для космических кораблей уравнения движения центра масс и вокруг центра масс, как правило, независимы, и перед космонавтом стоит задача управления шестью независимыми координатами вместо трех в авиации.

Далее, очень большую роль в авиации играет проблема мгновенной реакции на быстро меняющуюся обстановку. В некоторых задачах космонавтики эта проблема сохраняет свое значение (управляемый спуск в атмосфере, спуск на Луну и т. п.). Однако во многих случаях вследствие очень малых угловых скоростей, которые развивают космические корабли, инженерная психология сталкивается с проблемой избытка, а не недостатка времени.

Приведенные примеры имели единственной целью показать, что в первое десятилетие космонавтика не могла искать готовые рецепты среди решенных авиационными и иными специалистами задач, связанных с взаимодействием человека и машины, а нередко должна была ставить и решать свойственные ей проблемы заново.

Развитие космонавтики в 1957 - 1967 гг. привело к тому, что появились системы автоматического управления, специально приспособленные к работе в космических условиях. Речь идет о работе в невесомости, вакууме, при тяжелом тепловом режиме и т. п. Космические условия оказывают не только усложняющее работу влияние на разрабатываемую аппаратуру. Разумное использование свойств космического пространства и особенностей динамики движения космического аппарата в нем позволяет находить новые неизвестные обычной земной практике приборные решения. Так, наряду со свободными гироскопами, гироплатформами, датчиками угловых скоростей и другими подобными устройствами, применяемыми в авиации и морском деле, в рассматриваемый период появились устройства, использование которых возможно лишь в космосе. Назовем для примера гироорбиту - гироскопический прибор, способный находить плоскость траектории при условии, что местная вертикаль на искусственном спутнике планеты уже построена; инфракрасный построитель местной вертикали; датчики направления скорости полета, использующие наличие ионов в верхней атмосфере, и т. п. Приведенные примеры показывают, что освоение космического пространства человечеством должно и будет сопровождаться использованием свойств этого пространства, могущих оказаться полезными при решении тех или иных задач.

Разработка систем автоматического управления для космических аппаратов велась и ведется на базе классической теории автоматического управления. Однако интересно отметить, что и в этой области пришлось развивать новые разделы теории. Даже в таком, казалось бы, подробно изученном вопросе, как исследование плоских колебаний, удалось найти новые и неожиданные результаты. Так, например, оказалось, что расход рабочего тела двигателями ориентации обладает свойством квантоваться и меняться скачкообразно при непрерывном увеличении действующего на космический аппарат внешнего момента. Более глубокое исследование этого вопроса привело к необходимости разработки новых задач в теории точечных преобразований.

Эти примеры показывают, что создание средств автоматического управления в космосе не только сопровождалось использованием уже известных приборных или теоретических решений, но, в свою очередь, обогащало как теорию, так и инженерную практику.